雙碳和智能化背景下的選煤廠設計現(xiàn)狀與展望

梁彥國

(普賽斯(北京)工程技術有限公司，北京 100021)

近年來全球煤炭需求下滑、產量下降，煤炭經濟運行形勢復雜多變，供需階段性錯位失衡矛盾突出。國家“十四五”規(guī)劃，中國要實現(xiàn)“3060”目標，需要優(yōu)化產業(yè)結構和能源結構。推動煤炭清潔高效利用，要進一步優(yōu)化煤電發(fā)展方向，以控煤減碳、提高能效為目標，嚴控新增產能，選煤行業(yè)也進入了存量經濟時代。我國的選煤廠設計從解放初期的白手起家，歷盡七十多年的努力發(fā)展到今天，選煤廠總規(guī)模已躍居世界前列，大致經過了四個發(fā)展階段，1949—1980年的起步階段；1981—2000年的成長發(fā)展階段；2001—2018年的成熟爆發(fā)階段；2019至今甚至未來相當一段時間進入了精益求精的智能化階段。面對國內外新形勢以及國家新的能源需求，本文詳細分析國內選煤廠設計的現(xiàn)狀，并對選煤廠的未來發(fā)展趨勢進行了預測展望。

1 選煤廠設計現(xiàn)狀

1.1 選煤工藝

1.1.1 選煤方法

選煤廠設計的核心是選煤工藝，其合理性是保證選煤廠性能指標的關鍵，也決定了選煤廠效益的高低。我國地域廣闊，煤炭資源豐富，煤種齊全，煤質變化較大，各種選煤方法跳汰、重介、浮選、干選等均有應用[1，2]。大型選煤廠塊煤處理環(huán)節(jié)以重介淺槽為主，動篩跳汰應用較少，重介螺旋轉鼓工藝也有應用；因重介質選煤方法以其高精度分選的優(yōu)勢逐步取代了傳統(tǒng)的跳汰選煤方法，已成為應用最廣泛的主導粒級選煤方法；粗煤泥大多采用干擾床、螺旋分選和煤泥重介工藝，其他如搖床、水力旋流器等因分選精度不高或現(xiàn)場使用效果不佳等原因，沒有得到推廣應用；細煤泥浮選主要用在煉焦煤和噴吹煤選煤廠，浮選主要采用浮選機和浮選柱(床)分選；跳汰工藝主要應用在一些私營的小型選煤廠，通常由一些生產選煤設備廠商和小型設計公司提供設計；風選技術主要應用在缺水地區(qū)的動力煤選煤廠或其他特殊要求的地區(qū)；射線風選技術近幾年在大范圍推廣應用，主要在大塊煤井下或地面除矸環(huán)節(jié)。磁選、電選、微波選、化學選、生物選等技術尚在研究試驗階段。

1.1.2 工藝環(huán)節(jié)

1)選前脫泥環(huán)節(jié)。根據(jù)分選懸浮液中非磁性物含量是否超過允許的限度來決定是否增設脫泥環(huán)節(jié)，動力煤若利用淺槽、有壓重介旋流器排矸，則是在高密度條件下進行分選，懸浮液中非磁性物的允許含量較少，所以在分選前設置脫泥環(huán)節(jié)，提高分選精度，降低介質消耗。脫泥無壓三產品重介旋流器和不脫泥無壓三產品重介旋流器均有大量應用，但具體采用哪種方式，需要詳細計算其工作懸浮液體積濃度、分流量等指標后再確定。粗煤泥分選機因設備本身分選粒度下限原因，也需要前置分級脫泥環(huán)節(jié)。細煤泥浮選時，如果其中高灰細泥含量較多，影響加藥措施和浮選效果，同樣也需要設置脫泥環(huán)節(jié)。

2)選后脫泥環(huán)節(jié)。主洗系統(tǒng)分選完成后，均需要通過脫介篩進行脫介、脫泥，保證產品的穩(wěn)定性，并為后續(xù)煤泥水系統(tǒng)做好準備；粗煤泥經過分選后，精礦需要經過脫泥篩脫除高灰細泥后，再經過離心機脫水回收成為最終產品；濃縮分級環(huán)節(jié)多采用濃縮分級旋流器來實現(xiàn)；脫泥環(huán)節(jié)均采用濕法篩分措施，篩分機多選用振動篩、高頻篩、疊層篩等。

1.2 選煤裝備

我國選煤機械制造歷經幾十年的發(fā)展，總體水平得到了較大的提升[3，4]，比如旋流器、浮選機、濃縮機、離心機、壓濾機、水泵等接近國際領先水平，但大型篩分機、破碎機等高端機械與國外先進技術相比仍存在差距。

1.2.1 篩分機

篩分機主要用在選煤廠煤的分級、脫水、脫介、脫泥環(huán)節(jié)[5]，其技術水平的高低和質量的優(yōu)劣，決定了選煤廠整體的運行效果和經濟效益。圓振動篩、直線振動篩、高頻篩、馳張篩等在選煤廠應用較廣，原煤大粒度分級環(huán)節(jié)采用圓振動篩；脫水、脫介、脫泥環(huán)節(jié)選用直線振動篩，大型選煤廠以使用引進技術國內組裝產品為主，直線振動篩寬度已達4.9m；原煤深度篩分(-10mm)多用馳張篩，近幾年滾軸篩以其篩分效率高、篩孔不易堵等優(yōu)勢在深度篩分環(huán)節(jié)逐步推廣應用，滾軸篩實物如圖1所示；疊層篩分級脫泥效果好，在粗煤泥回收環(huán)節(jié)也有大量應用。

圖1 滾軸篩實物

1.2.2 分選設備

淺槽分選機是塊煤分選設備，目前使用最大型號槽寬已達7.9m，額定處理能力為600～700t/h。兩產品重介質旋流器直徑達1600mm，額定處理能力為800～1000t/h；三產品重介質旋流器的直徑達1500/1100mm，額定處理能力為500～600t/h[6]。跳汰機寬度達6m，額定處理能力為500～600t/h。在各類浮選設備中，攪拌式浮選機占主導地位[7]，在金屬礦浮選領域，浮選機最大容積達到了200m3、目前已發(fā)展到300m3；在選煤領域，常用的有機械攪拌式和無機械攪拌式，其中國產浮選機單槽容積達90m3、浮選柱直徑達5.5m。干擾床分選機[8]直徑達3.6m；螺旋分選機直徑為1.5m。實際應用ZM礦物分選機的處理能力達600t/h。

1.2.3 破碎機

選煤廠使用較多有雙齒輥破碎機、分級破碎機、煤泥破碎機及摻混機等[9]。雙齒輥破碎機用在煤的粗、中、細粒破碎環(huán)節(jié)；錘式破碎機因振動大、噪音高選用較少，但如果產品要求較細粒級時也會使用；為了便于將煤泥均勻摻混到精煤中一起銷售，選煤廠設有煤泥破碎機和摻混機。目前，國產雙齒輥破碎機輥軸直徑可達1800mm，輥長4000mm。

1.2.4 脫水設備

末煤脫水的設備主要有臥式振動離心機和立式振動離心機，前者處理能力大，目前最大型號?1650mm，額定處理能力可達380t/h；后者產品水分偏低，兩者均有大量應用。

粗煤泥脫水的設備有煤泥臥式離心機和立式刮刀卸料離心機，兩種離心機使用較多的型號為?1000mm、?1200mm。

細煤泥脫水的設備主要有加壓過濾機、快開隔膜壓濾機、沉降過濾式離心機[10]。沉降過濾式離心機主要用在原生煤泥、浮選精煤、浮選尾煤的脫水，處理量大，產品水分低易于摻混等優(yōu)勢，但其高耗能、對入料粒度要求嚴格等劣勢限制其廣泛應用，最大型號為?1800mm×4000mm；加壓過濾機以其濾餅水分低的優(yōu)勢應用較多，但因其能耗高，配套系統(tǒng)復雜、投資高等不足，近幾年有被快開隔膜壓濾機取代的趨勢，常用的型號為GPJ-120；快開隔膜壓濾機因其處理能力大、使用管理簡單等優(yōu)勢得到廣泛應用。

在快開隔膜壓濾機的基礎上，近幾年又出現(xiàn)了處理浮選精煤的單室進料-空氣穿流式壓濾機[11]，過濾速度快，濾餅厚度均勻，產品水分低至15%，正在推廣應用，目前使用最大型號為700m2；為了便于將細煤泥均勻摻混到混煤產品中，可使用處理煤泥的中、超高壓壓濾機，可將煤泥外水處理至15%～18%，目前單臺最大處理能力可達25t/h。

1.2.5 非標設備

選煤廠各類運輸設備本體沒有大的技術改進，但在驅動裝置方面改進較大，隨著永磁電機材料和技術研發(fā)的突破，其結構簡單、運行可靠、體積小，質量輕、損耗小、效率高都優(yōu)勢非常明顯，已經在逐步推廣應用；而小功率永磁同步電動滾筒取代了原來異步電機+減速機+滾筒的驅動模式，將電機置于滾筒內部，實現(xiàn)了機電一體化，其直接驅動輸送帶，無任何中間傳動環(huán)節(jié)，提高了效率，降低了故障率，一體化布置，結構簡單，傳遞更直接，力能特性好：輸出轉矩大，啟動平穩(wěn)，恒轉矩控制占用空間小、節(jié)能降耗。目前由于價格較貴，永磁電機和永磁電動滾筒僅在一些國有大型選煤廠推廣應用，隨著其成本的降低，使用范圍會越來越廣。

1.3 選煤廠建、構筑物結構形式

1.3.1 儲煤設施結構

目前國內選煤廠設計中儲煤設施主要有倉儲和棚儲，根據(jù)容量要求和儲存煤炭性質可采用圓筒倉、方倉以及槽倉等。圓筒倉以其儲量大、結構受力好、施工快捷等優(yōu)勢占據(jù)主流，絕大多數(shù)均采用鋼筋混凝土結構形式。塊煤產品為了防止摔碎而多采用小直徑圓筒倉或方倉儲存。倉儲形式環(huán)保，裝車外運煤炭運營成本低，但其基建成本較高；與之相比，儲煤棚基建成本低，但運營成本偏高，煤棚底部擋土墻采用鋼筋混凝土結構、煤棚采用鋼結構+彩板圍護形式為主，近幾年充氣膜和骨架膜結構在選煤廠也有應用，其中鋼結構根據(jù)煤棚跨度、經濟性等因素可采用球形網架、門式鋼架、管桁架等形式。

1.3.2 車間結構

原煤準備車間采用鋼筋混凝土結構居多，少量采用鋼框架結構；濃縮池采用鋼筋混凝土結構，上部為鋼結構+彩板圍護形式，部分小直徑濃縮池也有采用全鋼結構形式；主廠房的結構形式較多，有鋼筋混凝土框架結構、鋼框架結構、鋼結構模塊以及上述幾種結構相結合的形式。20世紀末引進的澳大利亞全鋼模塊式裝配結構曾短暫流行，但因其后期維護成本高、設備檢修更換不便、改造難度大等缺點，近些年已較少采用，廠房內樓面采用混凝土材料便于維護管理。

1.4 選煤廠產品裝車形式

大型國有選煤廠產品是以鐵路外運為主，汽運為輔。廠區(qū)內設置有鐵路專用線，采用火車快速定量裝車站，實現(xiàn)產品的快速定量裝車銷售。

汽車裝車外運形式各異，根據(jù)具體條件，一是可直接采用裝載機裝車外運，該形式基建成本低，運營費用高；二是通過帶式輸送機裝車外運，該形式運行效率較低；三是通過緩存?zhèn)}下閘門或給料機裝車外運，此模式可實現(xiàn)定量裝車；四是采用汽車快速定量裝車站形式，該形式基建成本高，但后期運行快捷方便。近幾年許多技術型企業(yè)在探索無人定量智能裝車技術。

1.5 選煤廠自動化及生產管理水平

我國選煤廠自動化技術發(fā)展迅速，近二十年來，PLC已成為選煤廠自控系統(tǒng)的基本電控裝置，也有部分選煤廠采用DCS。集控室的功能已經不限于生產過程集中控制的作用，它更多的要具備數(shù)據(jù)信息處理功能，肩負著生產管理職能。

國內選煤廠裝備配置、自動化水平高低不一，導致其管理水平參差不齊。部分私營小選煤廠仍停留初級水平，所有工作全部靠人力來完成。而先進的自動化程度高的選煤廠，集控室一鍵啟停車，現(xiàn)場用于監(jiān)控的儀器儀表配置齊全，在集控室均可監(jiān)控，生產崗位采用巡視制度，管理信息軟件化。

1.6 選煤廠數(shù)字化、智能化水平

近幾年，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、人工智能等技術的應用，部分國有選煤廠做了一些數(shù)字化、智能化方面的升級嘗試[12]。神東上灣選煤廠進行多方面嘗試工作，增設了智能分選、加藥、加介控制系統(tǒng)、鐵器自動識別、智能照明、信息化停送電、智能手機及其推送、設備在線監(jiān)控等系統(tǒng)，該廠實現(xiàn)生產效率提高了5%，設備每天減少1h運行時間，節(jié)電10%，減少崗位人員21人。

目前我國選煤廠智能化建設還處在起步階段，大部分出發(fā)點仍是解決實際生產中的難點痛點，建設內容務實，多集中在自動化系統(tǒng)升級、選煤廠數(shù)字化、信息化等，與真正的智能化距離較遠。

2 選煤廠未來發(fā)展趨勢

2.1 選煤廠精細化改造

2.1.1 動力煤選煤廠增設末煤系統(tǒng)

隨著礦井開采煤質的變化以及國家政策的要求，動力煤選煤廠也逐步推進全入選工藝[13，14]。目前，大部分動力選煤廠已經建設完成了塊煤洗選系統(tǒng)，后期會逐步開展末煤系統(tǒng)建設的步伐。各廠根據(jù)自身的煤質條件和產品質量要求，選擇增設“深度脫粉+末煤洗選”系統(tǒng)或末煤全洗選系統(tǒng)。末煤洗選系統(tǒng)以重介旋流器洗選工藝為主。

2.1.2煉焦煤選煤廠增設三產品工藝環(huán)節(jié)

選煤廠要實現(xiàn)效益最大化，就必須精細化每一個生產環(huán)節(jié)，三產品工藝不只局限于主粒級煤，在生產低灰精煤的煉焦煤廠針對粗煤泥和細煤泥工藝尤為如此。未來根據(jù)需要增加粗煤泥主再選工藝和浮選粗精選工藝，精礦作為主要產品銷售，中間產品作為電煤銷售，尾礦排棄或另作他用。粗煤泥三產品分選工藝有“螺旋+干擾床”、三產品干擾床、“干擾床+螺旋分選機”等工藝；細煤泥三產品浮選工藝有單臺浮選機三段、兩臺浮選機串聯(lián)、“浮選機+浮選柱”、兩臺浮選柱串聯(lián)等工藝。

2.1.3 選煤廠無泥化改造

隨著國家環(huán)保政策愈加嚴格，選煤廠產生的煤泥處置問題凸顯。因其水分高、發(fā)熱量低，用途有限，在儲存、運輸及使用環(huán)節(jié)均存在難以解決的問題。

近年來超高壓壓濾機在煤炭行業(yè)的推廣，使得選煤廠無泥化成為可能。常壓板框壓濾機大多選用聚丙烯原料作為濾板，能夠承受的壓力小，而超高壓壓濾機為了滿足超高壓強的要求，機身及濾板悉數(shù)選用合金鋼原料。目前市場上設備壓榨原理有采用自壓榨和水壓榨方式。水壓榨流程如圖2所示。

圖2 超高壓壓濾機水壓榨流程

超高壓壓濾機可將煤泥外在水分控制在18%以內，使其無需通過干燥系統(tǒng)即可摻入混煤產品中銷售，其經濟、社會效益非常明顯，選煤廠勢必會迎來一波無泥化改造浪潮。

2.2 BIM在選煤廠設計中推廣應用

2020年08月28日，九部門聯(lián)合印發(fā)《關于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》提出：大力推廣建筑信息模型(BIM)技術，加快推進BIM技術在新型建筑工業(yè)化全壽命期的一體化集成應用，提高建筑行業(yè)全產業(yè)鏈資源配置效率。

選煤廠智能化建設也將促進BIM在選煤廠設計中應用，如圖3所示。BIM要求各專業(yè)在同一個平臺下協(xié)同設計，既提高了設計效率和質量，也能將設計成品進行數(shù)字化交付，并可指導項目后期的建設和運營，真正實現(xiàn)設計、采購、生產、建造、交付、運行維護等階段的信息互聯(lián)互通和交互共享。

圖3 選煤廠三維設計

2.3 選煤裝備發(fā)展

2.3.1 加強理論基礎和核心技術研究

裝備制造企業(yè)應在理論基礎研究方面加大投入，改變以往拿來主義，片面強調實際應用、創(chuàng)新度低的現(xiàn)象。應研究選材、結構、工藝等細節(jié)，提升產品的可靠性和使用效果[15]。我國的選煤裝備研發(fā)一般實行“引進—學習消化—吸收利用—創(chuàng)新改進”的模式，若在世界范圍內占有一席之地，必須對產品進行技術創(chuàng)新，掌握核心關鍵技術。選煤廠關鍵設備如振動篩、離心機等，其核心技術仍由國外掌握，盡管近年來國內有許多廠商實現(xiàn)了獨立制造，但沒有掌握其核心原理，無法實現(xiàn)產品的更新?lián)Q代。

2.3.2 選煤裝備智能化

在工業(yè)智能化的大背景下，選煤裝備企業(yè)應在其智能監(jiān)控、日常維護、維修更換等環(huán)節(jié)多下功夫，開發(fā)與其產品配套的智能化工具，比如開發(fā)設備的全生命周期、設備智能監(jiān)控預警等系統(tǒng)。在設備的關鍵部件、易損件、需維護部位等位置增裝相應的傳感裝備，實現(xiàn)對設備的實時監(jiān)測監(jiān)控。

2.4 選煤廠無人化

將選煤廠變成無人化黑匣子工廠，是選煤人的未來愿景。但這是個循序漸進的過程，選煤廠的自動化、數(shù)字化、智能化是必經之路。在推進智能化建設的過程中，要奉行“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施、重點突破、務求實效”的原則，先行實施一些成熟的系統(tǒng)，試行一些急需替代人的機器或技術，逐步實現(xiàn)采用高端頂級裝備取消機修工人、巡檢機器人取消巡檢工人；高度自動化替代人工普通操作，用智能化替代人工智慧決策。

3 結 語

選煤行業(yè)進入了存量經濟時代，新建工程微乎其微，選煤人應該在現(xiàn)有的產能上精耕細作、精益求精，將選煤廠向智能化、綠色化、無人化方向發(fā)展。我國選煤廠正式進入了精益求精的智能化階段。我國選煤廠的數(shù)字化、智能化水平處于初級階段，現(xiàn)階段應視技術發(fā)展情況循序漸進地推進智能化進程。裝備制造企業(yè)應在理論基礎研究方面加大投入，研究選材、結構、工藝等細節(jié)，提升產品的可靠性和使用效果。設計公司要大力推進BIM技術在選煤廠行業(yè)的應用，推行超高壓壓濾機在選煤行業(yè)的應用，使選煤廠逐漸實現(xiàn)無泥化。